[論文レビュー] SoK: A Stratified Approach to Blockchain Decentralization

Christina Ovezik, Dimitris Karakostas+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2022

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、ハードウェア、ソフトウェア、ネットワーク、コンセンサス、経済、クライアントAPI、ガバナンス、地理の8層にわたるブロックチェーンの分散化を分析する階層的フレームワークを提案する。これにより、分散化リスクを体系的に測定可能となる。最小分散化テスト（MDT）を導入し、分散化状態を迅速に評価する手法を提示し、ビットコインに適用した結果、他のブロックチェーンにおけるシステム的脆弱性を特定した。

ABSTRACT

Decentralization has been touted as the principal security advantage which propelled blockchain systems at the forefront of developments in the financial technology space. Its exact semantics nevertheless remain highly contested and ambiguous, with proponents and critics disagreeing widely on the level of decentralization offered by existing systems. To address this, we put forth a systematization of the current landscape with respect to decentralization and we derive a methodology that can help direct future research towards defining and measuring decentralization. Our approach dissects blockchain systems into multiple layers, or strata, each possibly encapsulating multiple categories, and it enables a unified method for measuring decentralization in each one. Our layers are (1) hardware, (2) software, (3) network, (4) consensus, (5) economics ("tokenomics"), (6) client API, (7) governance, and (8) geography. Armed with this stratification, we examine for each layer which pertinent properties of distributed ledgers (safety, liveness, privacy, stability) can be at risk due to centralization and in what way. We also introduce a practical test, the "Minimum Decentralization Test" which can provide quick insights about the decentralization state of a blockchain system. To demonstrate how our stratified methodology can be used in practice, we apply it fully (layer by layer) to Bitcoin, and we provide examples of systems which comprise one or more "problematic" layers that cause them to fail the MDT. Our work highlights the challenges in measuring and achieving decentralization, and suggests various potential directions where future research is needed.

研究の動機と目的

• ブロックチェーンシステムにおける分散化の曖昧さや議論の余地のある意味論を解消するため、構造的で多層的な分析フレームワークを提供すること。
• いかなる層における中央集権化が、安全、ライブネス、プライバシー、安定性といったコアなセキュリティ特性を損なうかを特定すること。
• 研究者、政策立案者、実務家が、二元論的な主張を超えて、測定可能で層別に特化したリスクに焦点を当てた分散化の評価を支援すること。
• 実用的で迅速な分散化状態の評価を可能にする、最小分散化テスト（MDT）を提供すること。
• 測定のギャップ、フォールトトレランスのトレードオフ、各層にわたる標準化されたメトリクスの必要性を示すことで、今後の研究を導くこと。

提案手法

• ブロックチェーンシステムをハードウェア、ソフトウェア、ネットワーク、コンセンサス、経済（トークン経済学）、クライアントAPI、ガバナンス、地理の8つの明確に区別された層に分解する。
• 各層における中央集権化が、特定のセキュリティ特性（例：安全、ライブネス、プライバシー）に対する単一障害点をもたらす仕組みを分析する。
• 最小分散化テスト（MDT）を導入し、観察可能なリソース配分を用いて、分散化状態を評価する実用的で多層的な診断ツールを提供する。
• 実証的適用性を示すために、ビットコインを全層にわたって段階的に分析し、弱みを特定する。
• 分散化を測定するための既存のメトリクス（例：シャノンエントロピー、ジニ係数、ナカモト係数）をレビュー・比較し、文脈に応じた選択を提唱する。
• Blockchair や Ethernodes などのソースから得た現実世界のデータ（例：ノードの分布、マイニングハードウェアの出所、取引所の管轄地域）を活用し、分析を実証的根拠に基づくものとする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーンシステムの複数の明確に区別された層にわたる分散化を、どのように意味的に測定できるか？
• RQ2 いかなる1層における中央集権化が、ブロックチェーンシステムの安全、ライブネス、プライバシー、または安定性を損なう可能性があるか？
• RQ3 ナカモト係数やジニ係数といった既存のメトリクスが、分散化について信頼性があり、実行可能なインサイトを提供する程度はどの程度か？
• RQ4 最小分散化テスト（MDT）は、現実世界のブロックチェーンにわたる分散化状態の迅速かつ実用的な評価をどのように可能にするか？
• RQ5 分散化がフォールトトレランスに与える影響は何か、特に非Byzantine Fault Tolerant（非BFT）システムにおいては？

主な発見

• ビットコインは地理的分布とノード分布において高い分散化を示しており、60か国以上にまたがる7,670台のフルノードを有するが、マイニングハードウェアは中国に集中しており、4社（Bitmain、MicroBT、Canaan、Ebang）が支配的である。
• イーサリアムは世界中に5,884台のフルノードを有し、米国（2,781台）、ドイツ（678台）、イギリス（241台）に顕著な存在を示すが、二次市場や取引所においても集中が見られる。
• ナカモト係数は広く使われているが、それだけでは不十分である。本稿は、エントロピーとジニ係数といった複数のメトリクスを組み合わせた階層的アプローチを提唱する。
• 最小分散化テスト（MDT）は、マイニングハードウェアと地理的集中が中央集権的リスクをもたらすビットコインキャッシュやドージェコインのようなシステムにおいて、問題のある層を的確に特定した。
• ガバナンスや法的管轄権における中央集権化——例えば米国に拠点を置く取引所や、英国におけるBitcoin Coreへのソフトウェアアクセス制限（裁判所の判決）——は、開かれた参加が可能であっても、分散化を損なう可能性がある。
• 非BFTシステムでは、分散化が進むほど攻撃面が拡大するため、攻撃に対する脆弱性が高まる。これは、分散化とフォールトトレランスの間で逆説的なトレードオフが生じることを示している。